岩质锚固边坡相似材料及锚固体拉拔试验

黄爱清

(江苏城乡建设职业学院 继续教育学院，江苏 常州 213116)

我国属于一个地震频发国家，其地质情况极其复杂，很容易出现边坡失稳的问题，从而带来各种自然灾害，如泥石流、滑坡、崩塌等问题，很容易给周围人们生命财产带来严重威胁，所以边坡支护样一直是我国政府部门重点研究的项目。为进一步分析边坡稳定性，工作人员要在地震条件下进行边坡动力响应实验。由于地震具有难预测性、突发性等特征，导致工作人员无法进行边坡动力响应实验。针对这一问题，工作人员通常以采用地质力学模型为主体，来进行模型边坡制作工作，利于其在后期模拟地震作用的边坡动力响应。在边坡动力分析过程中，工作人员利用数值分析方式来分析现场工程问题，如果只使用数值分析法所得到的数据准确性不足，还要利用试验结果来进行重复验证。相似模型试验作为目前应用范围最广的实验方式，工作人员能利用人工方式来调整试验条件，这种方式不仅能提升实验操作灵活性，还能详细记录整个实验过程，发现实际工程中存在的问题，从而达到提前预测的作用[1]。

1 水泥砂浆和岩石相似材料配比试验

1.1 水泥砂浆和岩石原型参数

1.1.1原型水泥砂浆

根据行业标准，工作人员要将水泥砂浆灰砂比控制在1.50内，为进一步提高试验准确性，工作人员通常会选择稳定性强的原材料进行试验。如基准水泥、石英砂、饮用水等材料，再通过各种室内试验来确定原型水泥砂浆的密度、内摩擦角、抗压强度等力学参数[2]。根据相关要求，提前预备规格来制作圆柱体试样，将其分别用来进行劈裂抗拉试验、单轴抗压强度试验，制备正方体试样，用来做变角剪切试验，具体如图1所示。

图1 原型水泥砂浆试样Fig.1 Sample of prototype cement mortar

试配时要将减水剂掺合在水泥砂中，这很容易产生各种泌水现象。针对此问题，工作人员要将水泥砂浆试样放在特定环境中进行养护，这能有效提升试样稳定性，并将实验数据作为试验原型砂浆的物理力学参数[3]。

1.1.2原型岩石

试验主要是将硬岩和软质岩作为基础，实现岩石相似材料配比试验，试验所模拟的岩石种类主要包括砂岩、页岩、石灰岩等类型，以此配置试验所需要的相似材料。

1.2 水泥砂浆的相似材料配比试验

1.2.1确定水泥砂浆模型目标参数

为进一步体现出自重应力场的影响，在选择试验模型材料时，其容量和原来水泥砂浆容量的原材料基本相同，这有利于工作人员计算原型和模型间的物理力学数据[4]。同时，本次试验所使用的模型魔都相似比为1∶1，工作人员要严格按照相似理论来计算模型和原型间的物理力学数据，确定相似材料的目标参数值。

1.2.2水泥砂浆相似材料正交实验方案

本次试验通过正交实验法，研究人员利用正交表为主体，设计水平正交试验方案，并用正交表记号来标记。整个相似材料配比试验所用材料主要有细砂、甘油、石膏、重晶石粉等材料，其中固体材料有石膏、细砂、水泥等材料。试验所设计的4个因素分别用A、B、C、D表示。

1.3 水泥砂浆相似材料试验制作

本试验相似材料的物理力学参数主要包括密度、内摩擦角、抗压强度等，其中可通过称重方式来检验相似材料密度，从而确定相似材料弹性模量和抗压强度是否达到行业标准。同时，可利用劈裂抗拉试验来判断相似材料抗拉强度等[5]。同时，根据行业标准所要求的圆柱体试样尺寸，来实施劈裂抗拉和单轴抗压强度实验，还需要制作规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的正方体试验，用来进行变角剪切试验；铸铁模具如图2所示。

图2 铸铁模具Fig.2 Cast iron mold

在拌和时，根据试验步骤进行，要加强拌和材料均匀性，提升整个试验结果的准确性。同时，根据试验标准要求，在进行单轴抗压强度试验时，试样每组配比要制作3个制备品；进行劈裂抗拉试验试样每组配比制备同样需要3个。而变角剪切试验试样每组配比要比其他试验数量多1个[6]。相似材料拌和过程根据下面步骤进行操作：

(1)计算：通过水泥砂浆相似材料配比试验，计算出模具溶剂。并要考虑到材料拌和过程中的质量损耗，需要比预计值高出10%的质量；

(2)称量：利用电子天平来进行称重，将质量精确到0.01 g；

(3)拌和固体材料：将提前准备好的物质分别倒入烧杯中，如甘油、减水剂、水资源等材料，再用玻璃棒有规律搅拌，将其放置在混合材料中。然后，一边用水搅拌材料，一边往里面添加适量的水资源，直到混合材料呈现粘稠状时暂停加水；

(4)组装模具：为脱模工序正常进行，应使用毛刷在模具内部涂上大量凡士林，避免出现漏浆现象；

(5)浇筑试样：将已经拌和完毕的浆体材料均匀浇筑在模具中，利用振捣棒进行捣实，用来排除材料中多余气泡，确保材料均匀性和密实性。最后，将脱模后的试样进行编号，并放其在25 ℃左右的室内；在自然条件下养护7 d，直至试样含水量具有较强稳定性，才进行试验研究[7]。

2 锚固体模型拉拔试验

2.1 锚固相似材料选择

2.1.1锚杆原型相关参数

试验模拟锚杆是利用锚固体模型来实施拉拔试验，有利于计算出模型锚杆的抗拉性能；但值得注意的是，禁止采用镀锌钢材。针对材料选择要严格遵循行业标准，选择岩层锚杆型号，原材料使用普通光圆钢筋；岩层锚杆选型参照表1。

表1 岩层锚杆选型Tab.1 Selection of rock anchor rod

2.1.2确定锚杆杆体模型材料

针对和岩石、水泥砂浆相似度较高的材料，可提前选择不同种类的原材料，再经过配比试验来确定相似材料；但针对锚杆杆体模型材料选择时，只能从现存材料中进行选择。选择能满足试验要求的材料，如铝管、铜管、铅棒等材料，从而利用这些材料进行静态拉伸试验，提取到其抗拉强度，并利用相似比方式来选择和原材料相同的材料作为锚杆杆体模型材料。材料静态拉伸试验装置，如图3所示。

图3 材料静态拉伸试验Fig.3 Static tensile test of the material

(1)试样准备。将所有材料都制作成为相应杆件，进行3次拉伸试验，取3次拉伸数据的平均值；

(2)安装试样。将杆件试样安装在对应夹具上，可在试样上设计轴向引伸计，准确计算出杆件的弹性模量；

(3)加载流程。利用标准的加载速度来实现加载工作，并且要重复进行加载，直到试样断裂为止；

(4)记录。要详细记录实验过程中的数据和材料破坏问题。

抗拉强度在材料完全断裂前，所能承受的最高应力(Rm)根据式(1)进行计算：

(1)

式中：Fb为材料拉断前所承受的最大力；S0为材料原本横截面积。

在正常情况下，弹性模量指在单轴应力情况下，应力要除以方向上的应变。同时，当材料受到外力作用下产生弹性形变时，其应力和应变呈现出正比关系，比例系数则是弹性模量。拉伸法测量的材料弹性模型公式为：

(2)

式中：E为材料弹性模量；F为材料抗拉能力；L为材料基础长度；S为材料横截面积。

试验中，要考虑到粘贴电阻应变片因素，一旦杆体体积过小，很容易导致杆体和电阻应变片交叉面积低于标准值，出现严重脱落问题；针对抗拉强度要求，由于模型注重锚杆的剪切作用力，为进一步分析边坡稳定性，要在地震条件下，进行岩石边坡锚固阶段剪切作用研究；但由于整边坡尺寸通常要超过其他位置的尺寸，并且由于地震具有难预测性、突发性等特征，导致无法进行边坡动力响应试验。针对该问题，通常采用地质力学模型为主体，进行模型边坡制作工作，有利于其在后期模拟地震作用的边坡动力响应。所以必须要保证模型杆体材料的抗拉强度，确保其抗拉强度达到行业标准，模型杆体材料抗拉强度要高于原型参数。

2.2 锚固体模型拉拔试验方案

目前，电阻应变片有2种规格：200、120 Ω，其中120 Ω是常见的电阻应变片规格。试验所采用的应变片是以BX-120-2AA型和BX-120-1AA 2种类型，分别将这2种应变片粘贴在铝管杆体表面和水泥砂浆表面，从而测量不同方向的剪应力。

电阻应变片构成主要包括引线、敏感栅、基座等，由于其具有质量轻、尺寸小等特征，不会给构件应力状态带来严重影响。具体操作步骤：

(1)利用零号砂纸打磨贴片位，再将少量丙酮应用在脱脂棉贴上，保证擦拭的整洁性；

(2)采用镊子控制电阻应变片，并用适量502胶水涂抹在贴片位置，加强电阻应变片粘接性。再利用镊子将其调整到指定位置；

(3)用棉球进行轻度挤压，让栅丝与贴片紧靠在一起，并排除多余胶水；

(4)焊接好的电阻应变片，可通过硅橡胶来实现密封工作，避免由于环境因素给其性能带来影响。

3 结语

综上所述，在整个相似模型试验中，相似材料制作是作为模型试验的基础，是整个模型试验成功的秘诀。但从目前锚固边坡模型试验情况来看，由于其受到各种外在因素影响，导致其相似度较低。而研究人员注重岩土体相似材料的制作，对锚杆模型重视程度不足。本试验是以锚固岩质边坡大型振动台来进行模型相似材料配比试验研究工作，针对水泥砂浆和岩石进行相似材料配比试验，将相似理论作为依据，通过正交设计法来规划试验方案，利用浇筑灌浆方式来制作样本；通过室内试验操作来取得相似材料的主要物理力学数据，如粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、抗压强度等，从而选择合理的配比来制作锚固体模型，确保整个拉拔试验顺利进行。